??erik:
Piezoelektrik etki
Piezoelektrikler - tek kristaller
Kuvars
Turmalin
Rochelle tuzu
Amonyum dihidrojen fosfat
Potasyum tartrat
Lityum niyobat
?ok kristalli piezoelektrikler
Piezoelektrik dokular
Piezoelektrik seramikler
Seramik piezo elemanlar?n ?retim teknolojisinin ?zellikleri
End?striyel piezoseramik malzemeler ve piezoelektrikler - polimerler
Baryum titanat bazl? malzemeler
Titanat - kur?un zirkonat?n kat? ??zeltilerine dayal? malzemeler
Kur?un metaniyobat bazl? malzemeler
Piezoelektrikler - polimerler

Piezoelektrik etki

1756 y?l?nda Rus akademisyen F. Epinus, bir turmalin kristali ?s?t?ld???nda y?zlerinde elektrik y?klerinin olu?tu?unu ke?fetti. Bu olaya daha sonra piroelektrik etki ad? verildi. F. Epinus, s?cakl?k de?i?ti?inde g?zlemlenen elektriksel olay?n nedeninin, iki y?zeyin e?it olmayan ?s?nmas? oldu?unu ve kristalde mekanik gerilimlerin ortaya ??kmas?na yol a?t???n? varsayd?. Ayn? zamanda kristalin belirli u?lar?ndaki kutup da??l?m?ndaki sabitli?in kristalin yap?s?na ve bile?imine ba?l? oldu?una dikkat ?ekerek F. Epinus'un piezoelektrik etkiyi ke?fetmeye yakla?t???n? belirtti.

Kristallerdeki piezoelektrik etki, 1880 y?l?nda, mekanik stresin etkisi alt?nda bir kuvars kristalinden belirli bir y?nelimde kesilmi? plakalar?n y?zeyinde elektrostatik y?klerin g?r?n?m?n? g?zlemleyen P. ve J. Curie karde?ler taraf?ndan ke?fedildi. Bu y?kler mekanik stresle orant?l?d?r, onunla i?aret de?i?tirir ve kald?r?ld???nda kaybolur.

Bir dielektrik y?zeyinde elektrostatik y?klerin olu?mas? ve mekanik strese maruz kalma sonucu i?inde elektriksel polarizasyonun meydana gelmesine do?rudan piezoelektrik etki denir.

Do?rudan olan?n yan? s?ra, kendisine uygulanan bir elektrik alan?n?n etkisi alt?nda bir piezoelektrik kristalden kesilmi? bir plakada mekanik bir deformasyonun meydana gelmesinden olu?an ters bir piezoelektrik etki vard?r; Ayr?ca mekanik deformasyonun b?y?kl??? elektrik alan kuvvetiyle orant?l?d?r.

Ters piezoelektrik etki, elektrostriksiyon olgusuyla, yani dielektrikin bir elektrik alan?n?n etkisi alt?nda deformasyonuyla kar??t?r?lmamal?d?r. Elektrostriksiyon ile deformasyon ile alan aras?nda ikinci dereceden bir ili?ki vard?r ve piezoelektrik etki ile do?rusal bir ili?ki vard?r. Ek olarak, herhangi bir yap?daki dielektrikte elektrostriksiyon meydana gelir ve s?v?larda ve gazlarda bile meydana gelirken, piezoelektrik etki yaln?zca kat? dielektriklerde, ?o?unlukla kristal yap?da g?zlenir.

Piezoelektriklik yaln?zca kristalin elastik deformasyonuna, kristalin temel h?cresinin pozitif ve negatif y?klerinin a??rl?k merkezlerinin yer de?i?tirmesinin e?lik etti?i durumlarda, yani gerekli olan bireysel bir dipol momentine neden oldu?unda ortaya ??kar. mekanik stresin etkisi alt?nda dielektrikte elektriksel polarizasyonun ortaya ??kmas? i?in. Simetri merkezine sahip yap?larda, hi?bir tekd?ze deformasyon kristal kafesin i? dengesini bozamaz ve bu nedenle simetri merkezi olmayan yaln?zca 20 kristal s?n?f? piezoelektriktir. Bir simetri merkezinin bulunmamas?, piezoelektrik etkinin varl??? i?in gerekli ancak yeterli olmayan bir ko?uldur ve bu nedenle t?m asentrik kristaller buna sahip de?ildir.

Kat? amorf ve kriptokristalin dielektriklerde (neredeyse izotropik) piezoelektrik etki g?zlemlenemez ??nk? bu onlar?n k?resel simetrisiyle ?eli?ir. Bunun istisnas?, d?? kuvvetlerin etkisi alt?nda anizotropik hale gelmeleri ve dolay?s?yla k?smen tek kristallerin ?zelliklerini kazanmalar?d?r. Piezoelektrik etki baz? kristal doku t?rlerinde de m?mk?nd?r.

?imdiye kadar piezoelektrik etki, kristal kafesin modern atom teorisi ?er?evesinde tatmin edici bir niceliksel a??klama bulamad?. En basit tipteki yap?lar i?in bile piezoelektrik sabitlerin s?ras?n? yakla??k olarak hesaplamak bile imkans?zd?r.

?u anda, deformasyonlar? ve mekanik stresleri kristallerdeki elektrik alan? ve polarizasyonla birle?tiren piezoelektrik etkinin fenomenolojik bir teorisi geli?tirilmi?tir. Kristalin piezoelektrik olarak etkinli?ini belirleyen bir parametreler sistemi kurulmu?tur. Piezoelektrik mod?l (piezmodulus) d, uygulanan belirli bir mekanik streste kristal polarizasyonunu (veya y?k yo?unlu?unu) belirler; piezoelektrik sabiti, bir elektrik alan?n?n etkisi alt?nda s?k??t?r?lm?? bir kristalde ortaya ??kan mekanik kuvvetleri belirler; piezoelektrik sabiti g, belirli bir mekanik streste a??k devredeki elektrik voltaj?n? karakterize eder; ve son olarak piezoelektrik sabiti h, belirli bir mekanik deformasyon i?in a??k devredeki elektrik voltaj?n? belirler. Bu sabitler ilgili miktarlard?r ve elastik sabitleri ve kristallerin dielektrik sabitini i?eren ili?kiler yoluyla birbirleriyle ili?kilidirler, dolay?s?yla bunlardan herhangi biri kullan?labilir. En yayg?n kullan?lan piezoelektrik mod?l d'dir. Piezoelektrik sabitleri tens?rlerdir ve bu nedenle her kristalin birka? ba??ms?z piezomod?l? olabilir.

Genel olarak, d?zg?n bir mekanik stres Tr'nin etkisi alt?ndaki do?rudan piezoelektrik etkinin denklemi a?a??daki ?ekilde yaz?l?r:

Burada Pi polarizasyon vekt?r bile?enidir; dir - piezomod?l; Tr mekanik stres bile?enidir.

Ters piezoelektrik etki denklemi ?u ?ekilde yaz?l?r:

Burada Xi elastik deformasyon bile?enidir; Er, elektrik alan kuvveti bile?enidir.

Her piezoelektrik bir elektromekanik d?n??t?r?c?d?r, dolay?s?yla ?nemli ?zelli?i elektromekanik ba?lant? katsay?s? r'dir. Bu katsay?n?n karesi, belirli bir deformasyon t?r? i?in mekanik bi?imde ortaya ??kan enerjinin, g?? kayna??ndan giri?te al?nan toplam elektrik enerjisine oran?n? temsil eder.

Bir?ok durumda piezoelektrikler, elastik mod?l C (Young mod?l Eyu) veya ters miktarlar? (elastik sabitler S) ile tan?mlanan elastik ?zelliklerinden dolay? gereklidir.

Piezoelektrik elemanlar? rezonat?r olarak kullan?rken, baz? durumlarda piezoelektrik eleman?n rezonans frekans?n?n ve titre?im tipini belirleyen geometrik boyutun ?r?n? olan bir frekans katsay?s? eklenir. Bu de?er, piezoelektrik elemandaki elastik dalgalar?n yay?lma y?n?ndeki ses h?z?yla orant?l?d?r.

?u anda piezoelektrik aktivite g?steren bir?ok madde bilinmektedir (500'den fazla). Ancak bunlardan yaln?zca birka?? pratik uygulama buluyor.

Piezoelektrikler - tek kristaller

Kuvars. Kuvars do?ada yayg?n olarak bulunan bir mineral olup, 573 santigrat derecenin alt?nda alt?gen sistemin trigonal-trapezoedral s?n?f?nda kristalle?ir. Enantiyomorfik s?n?fa aittir ve do?ada iki modifikasyonda bulunur: sa? ve sol.

Kuvars?n kimyasal bile?imi susuz silikon dioksit (SiO2) molek?l a??rl??? 60.06'd?r.

Kuvars en sert minerallerden biridir ve kimyasal direnci y?ksektir.

Do?al kuvars kristallerinin d?? formlar? ?ok ?e?itlidir. En yayg?n ?ekil, alt?gen prizma ve e?kenar d?rtgenlerin (piramidal y?zler) birle?imidir. Prizman?n y?zleri kristalin taban?na do?ru geni?ler ve y?zeyde yatay g?lgelenme olur.

Piezoelektrik ekipmanlarda kullan?ma uygun kuvars, do?ada kristaller, bunlar?n par?alar? ve yuvarlak ?ak?l ta?lar? halinde bulunur. Renk, renksiz-?effaftan (kaya kristali) siyaha (moryon) kadar de?i?ir.

Tipik olarak do?al kuvars kristalleri, de?erlerini d???ren ?e?itli kusurlar i?erir. Kusurlar aras?nda yabanc? minerallerin (rutil klorit), ?atlaklar?n, kabarc?klar?n, hayaletlerin, mavi i?nelerin, ?izgilerin ve ikizlerin bulunmas? yer al?r.

?u anda, do?al olanlarla birlikte, otoklavlarda y?ksek s?cakl?klarda ve silikon dioksit ile doyurulmu? alkali ??zeltilerden bas?n?larda yeti?tirilen sentetik kuvars kristalleri kullan?lmaktad?r.

Kuvars?n piezoelektrik ?zellikleri, radyo frekanslar?n? stabilize etmek ve filtrelemek, ultrasonik titre?imler olu?turmak ve mekanik b?y?kl?kleri (piezometri) ?l?mek i?in teknolojide yayg?n olarak kullan?lmaktad?r.

Turmalin. Turmalin, trigonal sistemin trigonal-piramidal s?n?f?nda kristalle?ir. Kristaller uzunlamas?na taramal?, uzunlamas?na, genellikle i?ne ?eklinde prizmatiktir.

Kimyasal bile?imi a??s?ndan turmalin, magnezyum, demir veya alkali metallerin (Na, Li, K) safs?zl?klar?n? i?eren karma??k bir al?minyum borosilikatt?r.

Renk siyahtan ye?ile, ayr?ca k?rm?z?dan tekliye, daha az s?kl?kla renksizdir. Ovaland???nda elektriklenir ve g??l? bir piroelektrik etkiye sahiptir.

Turmalin do?ada yayg?n olarak bulunur ancak ?o?u durumda kristaller ?atlaklarla doludur. Piezoelektrik rezonat?rlere uygun hatas?z kristaller nadirdir.

Turmalinin en b?y?k avantaj? k?smi katsay? de?erinin kuvarsla kar??la?t?r?ld???nda daha y?ksek olmas?d?r. Bundan ve turmalinin daha y?ksek mekanik mukavemetinden dolay?, daha y?ksek frekanslar i?in rezonat?rler ?retmek m?mk?nd?r.

?u anda turmalin, piezoelektrik rezonat?rlerin ?retiminde pek kullan?lmamaktad?r ve hidrostatik bas?nc? ?l?mek i?in s?n?rl? bir kullan?ma sahiptir.

Rochette tuzu. Rochelle tuzu e?kenar d?rtgen sistemin e?kenar d?rtgen s?n?f?nda kristalle?ir. Enantiyomorfik s?n?fa ait olmak, Rochelle tuzunun sa? ve sol y?nl? kristallerinin varl???n?n teorik olas?l???n? belirler. Ancak ?arap yap?m? at?klar?ndan elde edilen Rochelle tuzunun kristalleri yaln?zca sa? taraftad?r.

Neme kar?? koruma sa?lamak i?in Rochelle tuzundan yap?lan piezo elemanlar? ince vernik filmleriyle kaplan?r.

Rochelle tuzundan yap?lan piezoelektrik elemanlar, nispeten dar bir s?cakl?k aral???nda ?al??an ekipmanlarda, ?zellikle ses al?c?lar?nda yayg?n olarak kullan?ld?. Ancak g?n?m?zde bunlar?n yerini neredeyse tamamen seramik piezoelemanlar alm??t?r.

Amonyum dihidrojen fosfat. Amonyum dihidrojen fosfat tetragonal sistemde kristalle?ir. Kristaller d?rtgen bir piramit ve bir prizman?n birle?imidir.

Dihidrojen fosfat kristalleri kristalize su i?ermez ve dehidre olmaz. %93 ba??l nemde kristaller nemi emmeye ve ??z?nmeye ba?lar.

Amonyum dihidrojen fosfat 190 santigrat derece s?cakl?kta erir, ancak 100 derecenin ?zerinde amonyak kristalin y?zeyinden buharla?maya ba?lar. Bu, ?al??ma s?cakl?klar?n?n ?st s?n?r?n? s?n?rlar.

?u anda piezoelektrik seramiklerin yayg?n geli?imi nedeniyle amonyum dihidrojen fosfat?n kullan?m? s?n?rl?d?r.

Potasyum tartrat. Potasyum tartrat (sembol VK) tek kristalli bir sistemde kristalle?ir.

VC'den yap?lan rezonat?rler y?ksek kalite fakt?rlerine ve elektromekanik ba?lant? katsay?lar?na sahiptir. Uzun mesafeli filtrelerde kuvars?n yerini alabilirler.

Lityum niyobat. Lityum niyobat, e?kenar d?rtgen sistemin ditrigonal-piramidal s?n?f?nda kristalle?en sentetik bir kristaldir.

Lityum niyobat suda ??z?nmez, y?ksek s?cakl?klarda ayr??maz ve y?ksek mekanik dayan?ma sahiptir. Elektriksel ?zellikler a??s?ndan Curie s?cakl??? yakla??k 1200 santigrat derece olan bir ferroelektriktir.

Y?ksek kalite fakt?r? de dahil olmak ?zere y?ksek piezoelektrik ve mekanik ?zellikleri nedeniyle lityum niyobat, ?e?itli ama?lara y?nelik d?n??t?r?c?lerin ?retimi i?in umut verici bir malzemedir. Vakumda katot p?sk?rtmeyle elde edilen ince (yakla??k bir mikrometre kal?nl???nda) lityum niyobat filmleri, mikrodalga aral???nda ultrasonik titre?imlerin yay?c?lar? ve al?c?lar? olarak kullan?labilen y?nlendirilmi? ?ok kristalli dokulard?r.

?ok kristalli piezoelektrikler.

Piezoelektrik dokular. Uzayda belirli bir ?ekilde y?nlendirilmi? ve simetri merkezi olmayan bir dizi piezoelektrik kristalden olu?an dokular, piezoelektrik etkiye sahip olabilir. Rochelle tuzunun dokular?ndaki piezoelektrik etki A.V Shubnikov taraf?ndan ke?fedildi; Ayr?ca benzer ortamlarda piezoelektrik etkinin temel prensiplerini de belirledi. Erimi? Rochelle tuzunun bir alt tabakaya bir f?r?a kullan?larak uygulanmas?yla elde edilen Rochelle tuzunun piezo dokular?, Rochelle tuzunun bir piezomodulus d14'?ne sahiptir.

?u anda bu t?r dokular?n pratik bir ?nemi yoktur. Polarize piezoelektrik seramiklere dayanan en y?ksek de?erli imebt dokusu.

Piezoelektrik seramikler. Bu t?r malzemelerin ferroelektrik ?zellikleri piezoelektrik etkinin olas?l???n? belirler. Sabit bir elektrik alan?n?n etkisi alt?nda baz? alanlar uygulanan alan?n y?n?nde y?nlendirilir. D?? alan kald?r?ld?ktan sonra, alanlar?n polarizasyon y?nlerinin paralel y?nelimi sonucu ortaya ??kan i? alan nedeniyle alanlar?n ?o?u yeni konumlar?nda tutulur. Bu sayede seramik piezoelektrik etkiye sahip polar bir dokuya d?n???r.

Piezo elemanlar?n ?retimi i?in seramik teknolojisi, ?ekilleri ve boyutlar? ?zerinde temel k?s?tlamalar getirmez. Bu ko?ullar ve y?ksek piezoelektrik ?zellikler de?erleri, seramik piezo elemanlar?n teknolojide, ?zellikle ultrasonik titre?imleri yaymak ve almak i?in kullan?lan cihazlarda yayg?n olarak kullan?lmas?na yol a?m??t?r.

Seramik piezo elemanlar?n ?retim teknolojisinin ?zellikleri. Piezoseramik ?r?nlerin ?retim s?recinin ay?rt edici bir ?zelli?i, genellikle seramik teknolojisi y?ntemlerinden biri ile elde edilen sinterlenmi? bir i? par?as?na elektrotlar?n uygulanmas?ndan sonra uygulanan g??l? bir sabit elektrik alan? ile polarizasyonlar?d?r.

End?striyel piezoseramik malzemeler ve piezoseramik polimerler.

Farkl? ?zelliklere sahip malzemeler markalara (bile?im ve ?zelliklere g?re) ve fonksiyonel gruplara (amaca g?re) ayr?l?r.

Fonksiyonel grup 1'in malzemeleri, mekanik titre?imleri alma veya yayma modunda ?al??an olduk?a hassas piezoelektrik elemanlar?n imalat?nda kullan?l?r. Fonksiyonel grup 2'nin malzemeleri, g??l? elektrik alanlar? veya y?ksek mekanik stres ko?ullar?nda ?al??an piezo elemanlar? i?in tasarlanm??t?r. Fonksiyonel grup 3'?n malzemeleri, s?cakl??a ve zamana ba?l? olarak rezonans frekanslar?n?n artan stabilitesine sahip piezo elemanlar?n ?retimi i?in kullan?l?r ve fonksiyonel grup 4'?n malzemeleri, y?ksek s?cakl?ktaki piezo elemanlar i?in kullan?l?r.

?imdi ?e?itli piezoseramik t?rlerinin ?zelliklerini ele alal?m.

Baryum titanat bazl? malzemeler. Baryum titanat ferroelektriktir. Baryum titanat?n (TB-1) piezoseramikleri, karakteristiklerin s?cakl?k ve zaman stabilitesi a??s?ndan kat? gerekliliklere tabi olmayan d?n??t?r?c?lerin ?retiminde yayg?n olarak kullan?lmaktad?r. Ate?leme s?ras?nda baryum titanat form?lasyonunda u?ucu bile?enlerin bulunmamas? ve piezoelektrik elemanlar?n ?retim teknolojisinin basitli?i, bu malzemenin teknolojide hala yayg?n olmas?n? sa?lamaktad?r.

Titanat - kur?un zirkonat?n kat? ??zeltilerine dayanan malzemeler. Kur?un titanat?n kat? ??zeltileri ?ok y?ksek piezoelektrik ?zelliklere sahiptir. Bu sa?lam ??z?mlere dayanarak, kod ad? PZT (yurtd???nda PZT) olan bir dizi teknolojik piezoseramik malzeme geli?tirildi.

PZT gibi malzemelerden ?r?n ?retme teknolojisi, bunlar?n y?ksek s?cakl?kta ate?leme s?ras?nda k?smen u?ucu hale gelen ve ?zelliklerin tekrarlanabilirli?inin zay?f olmas?na yol a?an kur?un oksit i?ermesi nedeniyle karma??k hale gelir. Bu nedenle, piezoelektrik eleman bo?luklar?n?n ate?lenmesi, kur?un oksit bile?iklerinin dolgusunu i?eren s?k?ca kapat?lm?? kaps?llere yerle?tirildi?i bir kur?un oksit buhar? atmosferinde ger?ekle?tirilir. Bununla birlikte, bu t?r malzemelerin y?ksek ?zellikleri, bunlar?n ?e?itli ama?lara y?nelik piezoelektrik d?n??t?r?c?lerin ?retiminde ?ok yayg?n olmas?n? sa?lar: elektroakustik cihazlar, ultrasonik teknoloji, piyezometri ve baz? radyo filtre t?rleri i?in.

Kur?un metaniyobat bazl? malzemeler. Kur?un ve baryum metaniobatlar?n kat? ??zeltileri y?ksek Curie noktas?na sahiptir. Bunlar? esas alan malzemeler geni? bir s?cakl?k aral???nda piezoelektrik mod?ller ve rezonans frekanslar?nda stabildir. Niobat seramiklerinde bulunan kur?un oksit pi?irme s?ras?nda pratik olarak u?ucu olmad???ndan, onlardan ?r?n ?retme teknolojisi PZT markal? malzemelerden daha basittir.

Piezoelektrikler polimerlerdir. Bir elektrik alan?nda polarize edilmi?, mekanik olarak y?nlendirilmi? filmler ?eklindeki baz? polimer malzemeler, piezoelektrik etkinin g?zlemlendi?i polar dokulara sahiptir. Bunlar?n aras?nda poliviniliden flor?r (PVDF) pratik a??dan ilgi ?ekicidir. Filmler bu polimerden %300...400 oran?nda ?ekildi?inde, g??l? bir elektrik alan?nda polarizasyondan sonra piezoelektrik etki elde eden ?zel bir konformasyon olu?turacak ?ekilde y?nlendirilirler.

Referanslar:

Elektrik Malzemeleri El Kitab? Cilt 3

Plan

girii?

1. Piezoelektrik etkinin tan?m?

a) Efektin kristal yap?s?

b) Model de?erlendirmesi

2. Kristal deformasyonlar?

3. Ters piezoelektrik etki

4. Ters piezoelektrik etkinin fiziksel mekanizmas?

5. Piezoelektrik kristallerin ?zellikleri

6. Efektin uygulanmas?

??z?m

Edebiyat

girii?

Ders ?al??mam?n konusu “Piezoelektrik”. Bu konuyu se?tim ??nk? piezoelektrik ilgin? bir olgudur. ?u ana kadar dielektriklerin d?? elektrik alan?n?n neden oldu?u polarizasyonunu ele ald?k. Baz? kristallerde, e?er kristal mekanik deformasyona maruz kal?rsa, harici bir alan olmadan polarizasyon meydana gelebilir. 1880'de Pierre ve Jacques Curie taraf?ndan ke?fedilen bu olaya "piezoelektrik etki" ad? verildi. G?n?m?zde piezoelektrik, ?e?itli insan aktivitelerinde uygulamas?n? bulmu?tur. Bu olgunun do?as? ve uygulamas? hakk?nda daha fazla ?ey ??renmeye ?al??t?m. Bu konunun se?ilmesinin bir di?er nedeni de bu etkinin mikrofon, telefon, hidrofon gibi bir?ok cihazda kullan?l?yor olmas?d?r.

Bu konuyu incelemek i?in a?a??daki literat?r? kulland?m: S.G. Kala?nikof “Elektrik”, D.V. Sivukhin “Genel fizik dersi: Elektrik Cilt 3”,

1. Piezoelektrik etkinin tan?m?

Bir?ok kristalde belirli y?nlerde gerildi?inde ve s?k??t?r?ld???nda elektriksel polarizasyon meydana gelir. Sonu? olarak, her iki i?aretin de elektrik y?kleri y?zeylerinde belirir. Bu olaya do?rudan piezoelektrik etki denir. Daha sonra turmalin, ?inko blende, sodyum klorat, tartarik asit, ?eker kam???, Rochelle tuzu, baryum titanat ve di?er bir?ok maddenin kristallerinde g?zlendi. Yaln?zca iyonik kristaller piezoelektrik ?zelliklere sahip olabilir. Bu t?r kristallerin olu?turuldu?u pozitif ve negatif iyonlar?n kristal kafesleri d?? kuvvetlerin etkisi alt?nda farkl? ?ekilde deforme olursa, kristalin y?zeyinde z?t yerlerde farkl? i?aretlerin elektrik y?kleri belirir. Bu piezoelektrik etkidir. D?zg?n deformasyonla, kristalde bir veya daha fazla kutup ekseni (y?n) oldu?unda piezoelektrik etki g?zlemlenir. Bir kristalin kutupsal ekseni (y?n), kristal boyunca ?izilen ve her iki ucu e?it olmayan, yani birbirinin yerine ge?emeyen herhangi bir d?z ?izgi olarak anla??l?r. Ba?ka bir deyi?le, kristal kutupsal eksene dik herhangi bir eksen etraf?nda 180° d?nd?r?ld???nde kendisiyle ayn? hizada olmaz. Genel olarak, d?zg?n deformasyon alt?nda piezoelektrik etkinin var olmas? i?in kristalin simetri merkezinin olmamas? gerekir. Asl?nda, e?er deforme olmam?? bir kristalin bir simetri merkezi varsa, o zaman simetri merkezi, kristalin d?zg?n deformasyonuna ra?men korunacakt?r. ?te yandan elektriksel olarak polarize edilmi? bir kristalde ?zel bir y?n, yani polarizasyon vekt?r?n?n y?n? vard?r. E?er varsa kristalin bir simetri merkezi olamaz. Ortaya ??kan ?eli?ki bizim ifademizi kan?tl?yor. 32 kristal s?n?f?ndan 21 tanesinin simetri merkezi yoktur. Ancak bunlardan birinde di?er simetri elemanlar?n?n kombinasyonu piezoelektrik etkiyi de imkans?z hale getiriyor. B?ylece 20 kristal s?n?f?nda piezoelektrik ?zellikler g?zlenmektedir.

A)Kristal yap? etkisi

M?kemmel mekanik ve elektriksel ?zellikleri nedeniyle geni? bilimsel ve teknik uygulamalar bulan en ?nemli piezoelektrik kristal olan kuvars kristali ?rne?ini kullanarak piezoelektrik etkiyi ele alal?m. S?radan s?cakl?k ve bas?n?larda kuvars, s?zde

- de?i?iklikler. Kuvars kristali (?ekil 1) trigonal sisteme aittir ve ?ekil 2'de g?sterilen ikinci dereceden ?? simetri eksenine sahiptir. 1'den , , .

Bunlar kristalin kutup eksenleridir. Her biri alt?gen bir prizman?n z?t fakat e?it olmayan kenarlar?n? birbirine ba?lar. Bu kenarlar?n e?itsizli?i, bunlardan birinin kenarlar?n?n ?ekilde a ve b harfleriyle g?sterilen k???k kenarlara biti?ik olmas?, di?er kenar?n kenarlar?n?n ise bu t?r kenarlara sahip olmamas? ger?e?inden a??k?a anla??lmaktad?r. D?rd?nc? eksen

???nc? dereceden simetri eksenidir. Kristalin bu eksen etraf?nda herhangi bir a??yla d?nd?r?lmesinin ?????n kristalde yay?lmas?na herhangi bir etkisi olmad???ndan buna optik eksen denir.

Bir kuvars kristaline mekanik darbeler uyguland???nda, kutup ekseninin u?lar?nda (daha kesin olarak ona dik y?zlerde) z?t elektrik y?kleri belirir. Uygulanan d?? kuvvetlerin s?z konusu kutup ekseni y?n?nde hareket etmesi zorunlu de?ildir. Sadece d?? kuvvetlerin etkisi sonucunda bu eksen boyunca gerilme veya s?k??man?n meydana gelmesi gereklidir.

200 °C'ye kadar s?cakl?klarda kuvars?n piezoelektrik ?zellikleri pratikte s?cakl?ktan ba??ms?zd?r. S?cakl???n daha da artmas?yla piezoelektrik etki yava? yava? azal?r. 576 °C'de

-kuvars bir faz d?n???m?ne u?rar ve -modifikasyona girer. Kuvars kristalleri alt?gen sisteme aittir ve bu nedenle yukar?da s?ylenenlere uygun olarak piezoelektrik olaylar g?zlenmez. S?cakl???n ters y?nde d??mesiyle kuvars?n orijinal yap?s? geri y?klenir ve bu restorasyon orijinalinden biraz daha d???k bir s?cakl?kta (histerezis) ger?ekle?ir. A?a??da kuvarstan bahsediyoruz.

B)Model de?erlendirmesi

?nerilen model dikkate al?narak piezoelektrik etkinin ortaya ??k???n?n anla??lmas? kolayd?r. Meisner. Kuvars?n kimyasal form?l?

. Kristal kafesi pozitif silikon iyonlar?ndan ve negatif oksijen iyonlar?ndan olu?ur. Her silikon iyonu d?rt, her oksijen iyonu ise iki temel y?k ta??r. ?lk yakla??m olarak, silikon ve oksijen iyonlar?n?n alt?gen h?crelerde yer ald??? d???n?lebilir, bunlardan biri ?ekil 2'de g?sterilmektedir. ?ekil 2, optik eksen boyunca kristale bak?ld???nda (?izim d?zlemine dik). Silikon iyonlar? b?y?k toplar 1,2,3, oksijen iyonlar? - k???k toplar olarak tasvir edilmi?tir. Her iki iyon da bir spiral ?eklinde d?zenlenmi?tir ve d?nme y?n? kuvars?n solak veya sa? elli olmas?na g?re belirlenir (?ekil 1 ve 2, solak kuvars i?in ge?erlidir). Silikon iyonu 3, iyon 2'den biraz daha derinde bulunur ve iyon 2, iyon 1'den daha derinde bulunur. Oksijen iyonlar?n?n konumu ek a??klama gerektirmez. Genel olarak h?cre elektriksel olarak n?trd?r ve elektriksel dipol momenti yoktur.

Mant?k y?r?tmemizi basitle?tirmek i?in, her bir kom?u oksijen iyonu ?iftini, y?k? iki kat? olan bir negatif iyonla de?i?tirelim. ?ekil 2'de g?sterilen basitle?tirilmi? bir h?cre modeline ula?aca??z. 3 A). B?yle bir h?cre kutupsal eksen boyunca s?k??t?rmaya maruz kal?rsa

(?ekil 3b)), daha sonra silikon iyonu 3 ve oksijen iyonu 4, kendilerini ?evreleyen yan iyonlar?n aras?na s?k??acakt?r. Sonu? olarak, plakan?n A d?zleminde negatif y?kler, B d?zleminde ise pozitif y?kler g?r?necektir (boyuna piezoelektrik etki). Yanal y?nde s?k??t?r?ld???nda, yani. Polar ve optik eksenlere dik (?ekil 3c)), silikon iyonlar? 1 ve 2, h?cre i?inde ayn? fakat z?t y?nl? yer de?i?tirmeleri al?r. Oksijen iyonlar? 5 ve 6 ayn? ?ekilde davran?r.

Bu durumda h?crenin C ve D d?zlemlerinin ortas?ndan ge?en d?zleme g?re simetrisi korunur ve bu d?zlemlerde herhangi bir y?k olu?maz. Ancak silikon iyonu 3 ve oksijen iyonu 4 d??ar? do?ru yer de?i?tirir. Bundan dolay? kutup ekseninin pozitif taraf?na do?ru y?nlendirilmi? bir dipol momenti ortaya ??kar.

. A d?zleminde pozitif bir y?k, B d?zleminde ise negatif bir y?k belirir (enine piezoelektrik etki). Dolay?s?yla y?klerin boyuna ve enine etkilerdeki i?aretleri z?tt?r. S?z konusu modelden, s?k??t?rman?n gerilimle de?i?tirilmesinin, piezoelektrik etki s?ras?nda elektrik y?klerinin i?aretlerinde bir de?i?ikli?e yol a?t??? ve polarizasyonun kristalin deformasyonu ile orant?l? oldu?u (deformasyonlar k???k oldu?unda) a??kt?r. Ve yasaya g?re deformasyon ve kuvvet aras?nda Hooke(1635-1703) do?ru orant?l?l?k varsa, piezoelektrik etki s?ras?nda kristalin polarizasyonunun da uygulanan kuvvetle orant?l? olmas? gerekir. Son olarak, kristalin optik eksen y?n?nde s?k??t?r?lmas?n?n veya gerilmesinin herhangi bir piezoelektrik etkinin e?lik etmedi?i modelden a??k?a g?r?lmektedir. B?t?n bu sonu?lar deneyimlerle do?rulanmaktad?r.

Piezoelektrik etki (piezoelektrik etki), belirli bir simetriye sahip baz? maddelerin kristallerinde g?zlenir. Do?adaki en yayg?n piezoelektrik mineraller aras?nda kuvars, turmalin, sfalerit ve nefelin bulunur. D?zenli bir yap?ya sahip baz? ?ok kristalli dielektrikler (seramik malzemeler ve polimerler) piezoelektrik etkiye sahiptir. Piezoelektrik etkiye sahip dielektriklere denirpiezoelektrikler.

Pirin?. 1

Piezoelektrik kristal ?zerinde belirli y?nlerde etkili olan d?? mekanik kuvvetler, yaln?zca mekanik deformasyona (herhangi bir kat? g?vdede oldu?u gibi) de?il, ayn? zamanda elektriksel polarizasyona da neden olur, yani. y?zeylerinde farkl? i?aretlerdeki elektrik y?klerinin ortaya ??kmas? (?ekil 1a, F- etkili kuvvetler, P - elektrik polarizasyon vekt?r?). Mekanik kuvvetler ters y?nde oldu?unda y?klerin i?aretleri de?i?ir.(?ekil 1b). Bu fenomene denirdo?rudan piezoelektrik etki(?ekil 2a).

Pirin?. 2

Ancak Piezoelektrik etki tersine ?evrilebilir. Piezoelektrik uygun y?nde bir elektrik alan?na maruz b?rak?ld???nda, i?inde mekanik deformasyonlar meydana gelir (?ekil 1c).Elektrik alan?n y?n? de?i?ti?inde deformasyonlar da buna g?re de?i?ir(?ekil 1 d). Bu fenomene denirters piezoelektrik etki(?ekil 2b) .

Piezoelektrik etki?u ?ekilde anlat?lmaktad?r. Kristal kafeste pozitif ve negatif iyon merkezlerinin uyumsuzlu?u nedeniyle hacimsel bir elektrik y?k? vard?r. Harici bir elektrik alan?n?n yoklu?unda, y?zeydeki y?klerle telafi edildi?i i?in bu polarizasyon g?r?lmez. Kristal deforme oldu?unda kafesin pozitif ve negatif iyonlar? birbirine g?re yer de?i?tirir ve kristalin elektriksel momenti buna g?re de?i?ir, bu da y?zeyde potansiyellerin ortaya ??kmas?na neden olur. Piezoelektrik etkide kendini g?steren, elektrik torkundaki bu de?i?ikliktir. Piezoelektrik etki sadece mekanik veya elektriksel etkinin b?y?kl???ne de?il ayn? zamanda kristalin kristalografik eksenlerine g?re kuvvetlerin do?as?na ve y?n?ne de ba?l?d?r.

Piezoelektrik etkiden kaynaklanan piezoelektrik deformasyonlar mutlak de?erde ?nemsizdir. ?rne?in, 100 V voltaj?n etkisi alt?ndaki 1 mm kal?nl???ndaki bir kuvars levhan?n kal?nl??? yaln?zca 0,23 mikron de?i?ir. Piezoelektriklerin deformasyonunun ?nemsizli?i, ?ok y?ksek sertlikleriyle a??klanmaktad?r.

Do?rudan ve ters piezoelektrik etkiler do?rusald?r ve elektrik polarizasyonunu (P) mekanik stres g'ye ba?layan do?rusal ba??ml?l?klarla tan?mlan?r:

Р=ag (1).

Bu ba??ml?l??a do?rudan piezoelektrik etkinin denklemi denir. Orant? katsay?s? a'ya piezoelektrik mod?l (piezoelektrik mod?l) ad? verilir. Piezoelektrik etkinin bir ?l??s? olarak hizmet eder. Ters piezoelektrik etki ba??ml?l?kla tan?mlan?r.

r=aE (2),

burada r deformasyondur;

E elektrik alan kuvvetidir.

Pirin?. 3

Do?rudan ve ters etkiler i?in piezoelektrik mod?l a ayn? de?ere sahiptir. Piezoelektrik yay?c?lar mekanik kontaklar? yoktur ve metal bir disk ?zerine monte edilmi? seramik bir elemandan olu?ur (?ekil 3).Diskin titre?imi, ona uygulanan voltajdan kaynaklan?r. Belirli bir frekans?n alternatif voltaj? bir ses sinyali olu?turur. Piezoelektrik yay?c?lar yap?sal elemanlar?n mekanik a??nmas?na maruz kalmaz, d???k enerji t?ketimine sahiptir ve elektriksel g?r?lt?s? yoktur. Piezoseramiklerin yard?m?yla ?nemli bir ses seviyesi elde etmek m?mk?nd?r. Baz? piezoseramik d?n??t?r?c? ?rnekleri, 1 m mesafeden 130 dB'ye (a?r? e?i?i seviyesi) kadar ses bas?nc? geli?tirebilir.

Pirin?. 4

Piezoelektrik emit?rlerin iki modifikasyonu mevcuttur:

- “saf” d?n??t?r?c?ler (kontrol devresi olmadan) - piezo ?anlar?;
- kontrol devreli yay?c?lar (dahili jenerat?rl?) - sirenler.

Birinci tipteki d?n??t?r?c?lerin ses ?retebilmesi i?in, ?retilen kontrol sinyalleri gereklidir (belirli bir d?n??t?r?c? modeli i?in belirtilen belirli bir frekans?n sin?s dalgas? veya kare dalgas?). Dahili jenerat?re sahip emit?rler yaln?zca belirli bir voltaj seviyesine ihtiya? duyar. Bu t?r cihazlar 1 ila 250 V (DC ve AC) aras?ndaki nominal gerilimler i?in mevcuttur.

?rne?in, piezoseramik ?an (piezo buzzer) ZP-1 (?ek. 4)her birinin zar? d?? ?ap? 32 mm olan s?? bir plaka ?eklinde yap?lm?? iki piezoelektrik bloktan olu?ur. Plakalar ters ?ekilde istiflenir ve d?? kenar boyunca lehimlenir. ?andaki piezo elemanlar?, alternatif bir voltaj uyguland???nda plakalar?n y?zeyleri ya yak?nla?acak ya da uzakla?acak ?ekilde ba?lanm??t?r; ?an?n her iki taraf?nda s?k??t?rma ve seyrekle?me b?lgeleri olu?ur. Zilin rezonans frekans? 2 kHz'dir.

Pirin?. 5

10 V rezonans frekans?ndaki voltajda 1 m mesafede 75 dB ses bas?nc? ?retir. Bu ?an ses dalgalar?n? her iki yar? bo?lu?a da e?it ?ekilde yayar. Tablo 1'deg?r?n?m? ?ekil 5'te g?sterilen di?er piezo yay?c?lar?n parametreleri verilmi?tir.. ?ekil 6'da piezoelementlerin genlik-frekans ?zellikleri sunulmaktad?r: PVA-1- ?ekil 6a ve ZP-5 - ?ekil 6b.

Piezo yay?c?lar?n Tablo 1 ?zellikleri

Tip	Ses bas?n?, Veritaban?	?al??ma Gerilim,	rezonans s?kl?k, kHz	Boyutlar, mm
				?ap	Y?kseklik
ZP-1			1...3
ZP-3			4,1 ±0,05	42,7
ZP-4			4,1±0,05
ZP-5			1...3
ZP-6			4,1±0,05
ZP-18			4,1 ±0,05
ZP-19
ZP-22*			1 ...3,5
ZP-25			4,1 ±0,05
ZP-31
PVA-1
PPA-1

Not: * - kendi kendine sal?n?m modunda ?al??acak ?ekilde tasarlanm??t?r.

Pirin?. 6, piezoelementlerin genlik-frekans ?zellikleri

A. Ka?karov

Kat? dielektriklerin ?zellikleri ?zerine yap?lan bir ?al??ma, baz?lar?n?n yaln?zca elektrik alan? yard?m?yla de?il, ayn? zamanda ?zerlerindeki mekanik etkiler alt?nda deformasyon s?ras?nda da polarize oldu?unu g?stermi?tir.

Bir dielektrik maddenin mekanik etki alt?nda polarizasyonuna do?rudan piezoelektrik etki denir. Bu etki kuvars kristallerinde ve t?m segmentoelektriklerde do?ald?r. Bunu g?zlemlemek i?in, kenarlar? kristale g?re kesin olarak tan?mlanm?? bir ?ekilde y?nlendirilmesi gereken kristalden dikd?rtgen bir paralel u?lu kesilir. Paralel boru s?k??t?r?ld???nda, y?zlerinden biri pozitif, di?eri negatif olarak y?klenir. Bu durumda y?z?n polarizasyon y?k yo?unlu?unun bas?n?la do?ru orant?l? oldu?u ve paralel y?z?n boyutuna ba?l? olmad??? ortaya ??kt?. S?k??t?rman?n yerini paralel borunun gerilmesi al?rsa, y?zlerindeki y?kler i?aretlerini ters y?nde de?i?tirecektir.

Piezokristallerde de tam tersi bir durum g?zlenir. Piezokristalden kesilmi? bir plaka, metal plakalar? y?kleyerek bir elektrik alan?na yerle?tirilirse, polarize olur ve deforme olur, ?rne?in s?k??t?r?l?r. D?? elektrik alan?n?n y?n? de?i?ti?inde, plakan?n s?k??mas?n?n yerini gerilmesi (genle?mesi) al?r. Bu olaya ters piezoelektrik etki denir.

Pirin?. 31. Piezoelektrik d?n??t?r?c?

Y?k veya voltajdaki bir de?i?ikli?i alg?lamak i?in, kapasitans? oran ile belirlenen bir kapasit?r?n plakalar?n? olu?turan piezoelektrik malzemeye iki metal plaka ba?lan?r.

burada Q y?kt?r,

V - voltaj.

?ncirde. ?ekil 31, bir piezoelektrik d?n??t?r?c?n?n cihaz?n? g?stermektedir.

Uygulamada piezoelektrik malzeme olarak kuvars kristalleri, rochelium tuzu, sentetik kristaller (lityum s?lfat) ve polarize seramikler (baryum titanyum) kullan?lmaktad?r.

Kuvars plakalar piezoelektrik mikrofonlarda, g?venlik sens?rlerinde ve s?rekli dalga jenerat?rlerinin stabilizat?rlerinde yayg?n olarak kullan?lmaktad?r.

?ncirde. ?ekil 32, piezoelektrik mikrofon cihaz?n? g?stermektedir

Ses bas?nc? diyafram? sapt?rd???nda hareketi piezoelektrik plakan?n deformasyonuna neden olur ve bu da ??k?? kontaklar?nda bir elektrik sinyali ?retir.

Optik d?n??t?r?c?ler

Optik d?n??t?r?c?ler, ???k enerjisini elektrik enerjisine (ve bunun tersini) d?n??t?ren cihazlar? i?erir. Bu tipteki en basit cihaz, p-n ba?lant?s?ndan ileri y?nde ak?m ge?ti?inde ???k yayan bir LED'dir. LED'in tersi olan cihaza fotodiyot denir. Fotodiyot, optik radyasyonu elektrik sinyallerine d?n??t?ren bir al?c?d?r. Ayr?ca ????? elektrik enerjisine d?n??t?ren fotodiyot ayn? zamanda elektrik enerjisi kayna?? olarak da g?rev yapar - g?ne? ?????.

Daha karma??k optik d?n??t?r?c?ler, elektro-optik d?n??t?r?c?ler (EOC) ve ?e?itli tasar?mlarda verici televizyon t?pleridir.

Optik sistemlerde bilgi s?z?nt?s?n?n teknik kanallar? a??s?ndan akustik-optik etkisi tehlikelidir. Akusto-optik etki, ses titre?imlerinin etkisi alt?nda cam yans?t?c? y?zeylerin veya fiber optik kablolar?n elastik deformasyonlar?ndan kaynaklanan ?????n k?r?lmas?, yans?mas? veya sa??lmas? olgusudur.

Fiber optik kablonun ana eleman?, ince silindirik cam elyaf formundaki bir ???k k?lavuzudur. Fiber ???k k?lavuzu iki katmanl? bir tasar?ma sahiptir ve bir ?ekirdek ve farkl? optik ?zelliklere (k?r?lma indisleri) sahip bir kaplamadan olu?ur. p1 Ve n2). ?ekirdek elektromanyetik enerjiyi iletmeye yarar. Kabu?un amac?: ?ekirdek-kabuk s?n?r?nda yans?ma i?in daha iyi ko?ullar yaratmak ve ?evredeki alana enerji radyasyonundan korunmak.

Bir dalgan?n bir ???k k?lavuzu yoluyla iletilmesi, farkl? k?r?lma indislerine sahip olan ?ekirdek ve kaplama s?n?r?ndan yans?mas? nedeniyle ger?ekle?tirilir ( p1 Ve n2). Geleneksel elektrik kablolar?n?n aksine, ???k k?lavuzlar?n?n iki iletkeni yoktur ve dalgan?n aray?zden birden fazla yans?mas? nedeniyle iletim, tek bir dalga k?lavuzunda dalga k?lavuzu y?ntemi kullan?larak ger?ekle?ir.

En yayg?n olan? iki tip fiber ???k k?lavuzudur: kademeli ve degrade (?ekil 33).

Modern fiber optik sistemlerde bilgi aktarma i?lemi, ???k kayna??n?n genlik, yo?unluk ve polarizasyon a??s?ndan mod?lasyonunu kullan?r.

Fiber optik kablo ?zerindeki d?? akustik etki, geometrik boyutlar?nda (kal?nl???nda) bir de?i?ikli?e yol a?ar, bu da ?????n yolunda bir de?i?ikli?e neden olur; yo?unluktaki bir de?i?ime ve bu bask?n?n b?y?kl???ne orant?l?d?r.

Mekanik bas?nc? ???k yo?unlu?undaki de?i?ikliklere d?n??t?ren fiber ???k k?lavuzlar?, g?venlik sistemlerinde pratik uygulama alan? bulur ve ayn? zamanda fiberdeki mikrofon etkisi olan akustik-optik (veya akustik-elektrik) d?n???m nedeniyle akustik bilgi s?z?nt?s?n?n kayna??d?r. -optik bilgi iletim sistemleri.

Fiberler, ???k k?lavuzlar?n?n ??kar?labilir konekt?r?ne gev?ek bir ?ekilde sabitlendi?inde, akustik alanlar taraf?ndan ???k mod?lasyonunun akustik-optik etkisi ortaya ??kar. Akustik fiberler, ???k k?lavuzunun ba?l? u?lar?n?n birbirine g?re yer de?i?tirmesine neden olur. Bu sayede fiberden ge?en radyasyonun genlik mod?lasyonu ger?ekle?tirilir. Bu ?zellik, sal?n?ml? optik fiberlere sahip hidrofonlarda pratik uygulama alan? bulur. ?ncirde. ?ekil 34 b?yle bir sens?r?n (d?n??t?r?c?) tasar?m?n? g?stermektedir

Mod?lasyon derinli?i iki parametreye ba?l?d?r; bunlardan biri (dt/dx) fiberin tasar?m? ve ?zelliklerine g?re belirlenir, di?eri ise bas?n? kuvvetine ba?l?d?r.

I??k k?lavuzunun bas?nca duyarl?l??? ?u oran ile belirlenir:

bas?n? de?i?ikliklerinin neden oldu?u faz kaymas? nerede.

Manyetostriksiyon etkisi
Ultrasonik jenerat?rler
Ultrasonik kesme
Kesici tak?mlarla i?leme s?ras?nda azalt?lm?? mekanik kuvvetler
Ultrasonik temizleme
Ultrasonik kaynak
Ultrasonik lehimleme kalaylama
Ultrasonik muayene
Ultrasonik ekspres analiz
?retim s?re?lerinin h?zland?r?lmas?
Ultrasonik emprenye
Metalurjide ultrason
Madencilikte Ultrason
Elektronikte ultrason
Tar?mda ultrason
G?da end?strisinde ultrason
Biyolojide ultrason
Hastal?klar?n ultrason tan?s?
Hastal?klar?n ultrason tedavisi
Karada ve denizde

1880 y?l?nda Frans?z bilim adamlar? Jacques ve Pierre Curie karde?ler piezoelektrik etkiyi ke?fettiler. ?z?, bir kuvars levhan?n deforme olmas? durumunda, y?zlerinde z?t i?aretli elektrik y?klerinin ortaya ??kmas? ger?e?inde yatmaktad?r. Bu nedenle piezoelektriklik, bir madde ?zerindeki mekanik etkiden kaynaklanan elektriktir (Yunancada "piezo", "basmak" anlam?na gelir).
Kuvars ?e?itlerinden biri olan kaya kristalinde ilk kez piezoelektrik ?zellikler ke?fedildi. Kaya kristali ?effaf, renksiz, buza benzer bir kristaldir. Sovyet mineralojisti A.E. Fersman, “E?lenceli Mineraloji” kitab?nda ??yle yazd?: “Elinize bir par?a kaya kristali ve ayn? cam par?as?n? al?n - her ikisi de renk ve ?effafl?k a??s?ndan benzerdir. Onlar? k?rarsan?z, e?it derecede keskin ve keskin olurlar. Ancak bir fark olacak: Kaya kristali elinizde uzun s?re so?uk kalacak, cam ise ?ok ge?meden ?s?nacak... Antik Yunanl?lar?n bu ?zelli?i bilip bilmedi?i bilinmiyor ama. Her hal?karda, kaya kristali ger?ekten buza ?ok benzedi?inden, ta??m?za Yunanca "buz" kelimesinden gelen "kristal" ad?n? veren onlard?..."
Do?ada iki y?ze yak?n kuvars ?e?idi bulunmaktad?r. Bunlar aras?nda alt?n sar?s? sitrin, kan k?rm?z?s? akik, alt?n rengi olan k?rm?z?ms? kahverengi aventurin, mor ametist ve daha bir?oklar? yer al?r. Yerkabu?unun neredeyse onda biri farkl? kuvars t?rlerinden olu?ur. S?radan kum bile esas olarak kuvars tanelerinden olu?ur.
Kuvars bilim ve teknolojide yayg?n olarak kullan?lmaktad?r. Ultraviyole ???nlar?n? ??zer, sert ve refrakterdir. Kuvars cam tabaklar k?rm?z? s?cakta ?s?t?labilir ve hemen buzlu suya dald?r?labilir. Hemen hemen t?m asitlere kar?? dayan?kl?d?r ve elektri?i zay?f bir iletkendir. Ancak en dikkat ?ekici ?zelli?i piezoelektrikli?idir. Kuvars kristalinden belirli bir ?ekilde kesilmi? bir plaka s?k??t?r?l?r ve a??l?rsa, y?zlerinde z?t i?aretli elektrik y?kleri g?r?necektir. S?k??t?rma ne kadar g??l? olursa, y?k de o kadar b?y?k olur. Kuvars levhan?n deformasyonu s?ras?nda y?zeylerinde elektrik y?klerinin ortaya ??kmas?na do?rudan piezoelektrik etki denir.
B?yle bir kuvars levhaya elektrik y?k? uygulan?rsa boyutu de?i?ecektir. Y?k ne kadar b?y?k olursa, plaka o kadar fazla deforme olur. Alternatif bir elektrik alan? plakaya etki etti?inde, uygulanan voltaj?n i?aretindeki de?i?iklikle birlikte zamanla daral?r veya geni?ler. ?kincisi ultrasonik bir frekansla de?i?irse, plaka ayn? zamanda ultrasonik dalgalar ?retmek i?in kuvars kullan?m?n?n temeli olan ultrasonik bir frekansla da titrer. Elektrik y?klerinin etkisi alt?nda kuvars levhan?n boyutunda meydana gelen de?i?ime ters piezoelektrik etki denir.
Do?rudan piezoelektrik etki, ultrasonik titre?im al?c?lar?nda kullan?l?r; burada ikincisi alternatif ak?ma d?n??t?r?l?r. Ancak b?yle bir al?c?ya alternatif voltaj uyguland???nda ters piezoelektrik etki tamamen ortaya ??kar. Bu durumda alternatif ak?m ultrasonik titre?imlere d?n??t?r?l?r ve al?c?, ultrasonik yay?c? olarak ?al???r. Sonu? olarak, piezoelektrik al?c? ve verici, ultrasonik titre?imleri d?n???ml? olarak yay?p alabilen tek bir cihaz ?eklinde temsil edilebilir. B?yle bir cihaza ultrasonik akustik d?n??t?r?c? denir.
Akustik d?n??t?r?c?ler, ?e?itli elektroakustik sistemlerde, ?zellikle akustik ve hidroakustik ?l??mler ve ara?t?rmalara y?nelik sistemlerde ba?ar?yla kullan?lmaktad?r. Piezoelektrik cihazlar uzay ara?t?rmalar?nda yayg?n olarak kullan?lmaktad?r. G?n?m?zde astronotun durumu, uzay arac?n?n i?indeki ko?ullar, g?kta?? tehlikesi hakk?nda uyar? vb. hakk?nda veri ileten baz? sens?rler taraf?ndan temsil edilmektedirler.
Piezoelektrik cihazlar, u?ak par?alar?n? “hissetmeye”, hesaplamalar?ndaki hatalar? tespit etmeye ve bu hatalar?n tehlikeli sonu?lar?n? ?nlemeye yard?mc? olur; Bas?nc? ?l?mek veya ba?ka veriler elde etmek i?in ate? eden bir silah?n namlusuna "bak?n". Piezoelektrik radyo m?hendisli?i ve televizyonda kullan?l?r. Piezoelektrik cihazlar bal?k s?r?lerini bulmaya, d?nyan?n ba??rsaklar?n? ke?fetmeye, mineralleri aramaya, insanlara te?his ve tedavi etmeye, kimyasal s?re?leri analiz edip h?zland?rmaya vb. yard?mc? olur.
Kuvars uzun zamand?r ultrasonik d?n??t?r?c?lerin ?retiminde kullan?lan ana malzemelerden biri olarak kabul edilmektedir. Ancak k???k bir kuvars plakadan yap?lan yay?c?n?n g?c? ?ok az. Bunu artt?rmak i?in, kuvars plakalar?n bir t?r mozaik ?eklinde d?zenlenmesiyle yay?lan y?zeyin alan? artt?r?l?r.
Do?ada kuvars kristalleri istisnalar olmas?na ra?men ?o?unlukla nispeten k???k boyutlarda bulunur. Do?u Alpleri'nde jeologlar bir yuvada toplam k?tlesi bir bu?uk tonun ?zerinde olan alt? kaya kristali kristali buldular. Daha da benzersiz bir bulgu, dev kristallerden olu?an bir ailenin bulundu?u bir kristal yata?? ke?feden Ural jeologlar? taraf?ndan ke?fedildi. ?lk olarak kayadan 800 kilogram a??rl???nda kristaller ??kar?ld?. Sonraki ?srarl? arama kesinlikle ?arp?c? sonu?lar verdi - yirmi ?effaf saf kristalden olu?an bir tak?my?ld?z bulundu. Toplam a??rl?klar? 9 tonu a?t?. Ancak bu t?r buluntular bilimin ve teknolojinin kuvars kristallerine y?nelik giderek artan ihtiyac?n? kar??layam?yor. Bu nedenle laboratuvarlarda yapay olarak yeti?tirmeye ?al???yorlar ama maalesef yava? b?y?yorlar ve ?retimleri pahal?.
Bilim adamlar? di?er piezoelektrik malzemeleri ararken dikkatlerini Rochelle tuzuna ?evirdiler. ?lk kez Frans?z eczac? Segnet taraf?ndan tartarik asit tuzlar?ndan elde edilmi?tir. Rochelle tuzunun i?lenmesi kolayd?r, suyla nemlendirilmi? s?radan bir iplikle bir Rochelle tuzu kristali kesilebilir. Kuvars dahil di?er piezoelektrik kristallerle kar??la?t?r?ld???nda, Rochelle tuzu kristali ?nemli ?l??de daha b?y?k bir piezoelektrik etkiye sahiptir; plaka ?zerindeki en ufak mekanik etki, elektrik y?klerinin ortaya ??kmas?na neden olur. Ancak Rochelle tuzunun pratik kullan?m?n? s?n?rlayan ciddi dezavantajlar? da vard?r. Bu ?ncelikle d???k bir erime noktas?d?r - yakla??k 60 derece, Rochelle tuzu kristalinin piezoelektrik ?zelliklerini kaybetti?i ve art?k eski haline getirilmedi?i. Rochelle tuzu Suda ??z?n?r ve bu nedenle neme kar?? hassast?r. Ayr?ca k?r?lgand?r ve a??r mekanik y?klere dayanamaz.
Yeni piezoelektrik malzemelere y?nelik ara?t?rmalar ?zellikle ?kinci D?nya Sava?? s?ras?nda ?srarla y?r?t?ld?. Piezoelektrik kuvars?n hidroakustik cihazlarda ve askeri radyo elektroniklerinde yayg?n olarak kullan?lmas? sonucu ortaya ??kan "kuvars k?tl???" nedeniyle ortaya ??kt?lar. Bu nedenle o zamanlar piezoelektrik d?n??t?r?c?ler ?retmek i?in amonyum dihidrojen fosfat kristalleri kullan?ld?. Bu malzeme frekans kararl?d?r ve y?ksek g??lerde ve geni? bir frekans aral???nda ?al??maya olanak sa?lar. Amonyum fosfat, lityum s?lfat ve potasyum dihidrojen fosfat gibi di?er piezoelektrik malzemeler uzun s?redir kullan?lmaktad?r. Hidroakustik d?n??t?r?c?lerde mozaik paketler halinde kullan?ld?lar. Bununla birlikte, t?m bu piezokristallerin ortak bir dezavantaj? vard?r: d???k mekanik mukavemet. Bu nedenle bilim insanlar? ?srarla piezoelektrik ?zellikler a??s?ndan kendilerine yak?n olacak ve yukar?da bahsedilen dezavantajlara sahip olmayacak bir alternatif aray???na girdiler. Ve b?yle bir yedek, SSCB Bilimler Akademisi Sorumlu ?yesi B. M. Vul'un ?nderli?inde ?al??an Sovyet bilim adamlar? taraf?ndan bulundu. Kuvars ve Rochelle tuzu gibi kristal olmayan ve kendisi de piezoelektrik ?zelliklere sahip olmayan baryum titanatt?.
Baryum titanat, d?nyan?n ba??rsaklar?nda ?ok nadir bulundu?undan yapay olarak elde edilir. Bunu yapmak i?in, iki mineral maddeden (baryum karbonat ve titanat dioksit) olu?an bir kar???m ?ok y?ksek bir s?cakl?kta ate?lenir. Sonu?, g?r?n?m? ve mekanik ?zellikleri bak?m?ndan s?radan kili and?ran sar?ms? beyaz bir k?tledir. Kil gibi bu k?tleye herhangi bir ?ekil verilebilir, ancak mekanik olarak g??l? olacak ve suda ??z?nmeyecektir. Baryum titanata piezoelektrik ?zellikler kazand?rmak i?in yanan k?tle g??l? bir elektrik alan?na yerle?tirilir ve ard?ndan so?utulur. Sonu? olarak, baryum titanat kristallerinin polarizasyonu meydana gelir, dipolleri (iki z?t, ancak mutlak de?erde e?it, birbirlerinden belli bir mesafede bulunan elektrik y?klerinin birle?imi) ayn? pozisyonu i?gal eder ve so?uduktan sonra sanki sabitlenirler. bu durumda "donmu?". Ortaya ??kan malzeme kuvars?nkinden 50 kat daha fazla piezoelektrik etkiye sahiptir ve ?retimi i?in ?ok fazla miktarda hammadde mevcut oldu?undan maliyeti d???kt?r. Baryum titanat?n dezavantajlar? aras?nda a??r? ?s?nmaya yol a?an b?y?k mekanik ve dielektrik kay?plar bulunur ve 90 derecenin ?zerindeki s?cakl?klarda piezoelektrik etki ?nemli ?l??de azal?r.
Baryum titanat seramikleri kesilebilir, ta?lanabilir, cilalanabilir ve d?n??t?r?c?ye gerekli ?ekil ve boyut (d?z plaka, silindir, yar?m k?re, k?renin bir k?sm? vb.) verilebilir. Baryum titanat d?n??t?r?c?ler, elektrik enerjisini mekanik enerjiye d?n??t?rmede daha verimlidir, elektriksel bozulmaya kar?? daha fazla dirence sahiptir ve d???k voltajlarda ?al??abilir. Ayr?ca baryum titanat ultrasonik transd?serler darbeli modda ?al??ma kapasitesine sahiptir.
Piezoelektrik d?n??t?r?c?lerin ?retimi i?in ba?ka bir piezoseramik de kullan?l?r: zirkonyumun kur?un titanatla (PZT) kar???m? olan bu piezoseramikler, baryum titanat?nkinden iki kat daha g??l? bir piezoelektrik etkiye sahiptir. Piezoseramikler PZT suda ??z?nmez ve mekanik olarak da i?lenebilmektedir.
Ayn? zamanda piezoelektrik ?zelliklere sahip ve gerekli teknik gereksinimleri kar??layan kristallerin aray??? da devam etti. Kadmiyum s?lf?r bilim adamlar?n?n dikkatini bu ?ekilde ?ekti. Ultrasonik titre?imleri y?kseltme konusunda ola?an?st? bir yetene?e sahip olmas?na ek olarak, kuvars ve baryum titanat i?in tamamen eri?ilemez olan ?ok y?ksek frekanslar i?in bir ultrasonik d?n??t?r?c? yapmak i?in kullan?labilir. Ara?t?rmac?lar, kadmiyum s?lfit kristalinin olas? uygulama say?s? rekorunu elinde tutaca??n? ?ne s?r?yor. Sadece bir ultrason amplifikat?r? ve d?n??t?r?c? olarak hizmet etmekle kalmaz, ayn? zamanda germanyum ve silikonla birlikte ortak bir yar? iletken olarak da kullan?labilir. Ayr?ca kadmiyum s?lf?r m?kemmel bir fotodiren?tir.
Biraz basitle?tirerek, bir piezoelektrik d?n??t?r?c?n?n, ortak bir metal plakaya yap??t?r?lm??, belirli bir ?ekilde ba?lanm??, d?z veya k?resel bir y?zeye sahip bir veya daha fazla bireysel piezoelektrik eleman oldu?unu s?yleyebiliriz. Y?ksek radyasyon yo?unlu?u elde etmek i?in, ?e?itli ?ekillere (yar?m k?reler, i?i bo? k?re par?alar?, i?i bo? silindirler, i?i bo? silindir par?alar?) sahip olabilen odaklanan piezoelektrik d?n??t?r?c?ler veya yo?unla?t?r?c?lar kullan?l?r. Bu t?r d?n??t?r?c?ler, y?ksek frekanslarda g??l? ultrasonik titre?imler ?retmek i?in kullan?l?r. Bu durumda, k?resel d?n??t?r?c?lerin odak noktas?n?n merkezindeki radyasyon yo?unlu?u, d?n??t?r?c?n?n yayma y?zeyindeki ortalama yo?unluktan 100-150 kat daha y?ksektir.

"Ses, ultrason, infrason"